小型化低成本運(yùn)載火箭測(cè)控設(shè)備設(shè)計(jì)研究

高 飛，王璐璐，李芳野，謝 望，韓 飛，江 坤，徐 昕

（1.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109；2.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第704研究所，上海 200031）

0 引言

隨著商業(yè)航天的快速發(fā)展，商業(yè)航天測(cè)控領(lǐng)域得到極大的促進(jìn)［1］，體積較大、成本較高的傳統(tǒng)運(yùn)載火箭測(cè)控設(shè)備已逐漸不能滿(mǎn)足實(shí)際的使用需求，用戶(hù)對(duì)于運(yùn)載火箭測(cè)控裝備小型化、低成本、功能齊全、質(zhì)量穩(wěn)定的需求日益旺盛。立足于向使用方提供實(shí)用、好用的裝備，同時(shí)提高快速發(fā)射運(yùn)載火箭的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，本文以某型號(hào)運(yùn)載火箭測(cè)量系統(tǒng)供配電測(cè)試設(shè)備為研究對(duì)象，對(duì)小型化低成本運(yùn)載火箭測(cè)控設(shè)備設(shè)計(jì)開(kāi)展分析與研究。主要從元器件選型、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化和軟件功能優(yōu)化方面分析了運(yùn)載火箭測(cè)控設(shè)備小型化設(shè)計(jì)原則，從選用成熟貨架產(chǎn)品、國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品、冗余設(shè)計(jì)方面研究了產(chǎn)品低成本設(shè)計(jì)原則。

1 小型化設(shè)計(jì)原則

某型號(hào)運(yùn)載火箭測(cè)量系統(tǒng)舊版供配電設(shè)備前后面板和連接電纜如圖1所示，機(jī)柜高約2米，舊設(shè)備的面板按鈕均為機(jī)械式按鈕，需要人員在現(xiàn)場(chǎng)前端進(jìn)行設(shè)備的操作和狀態(tài)的記錄、檢測(cè)等，同時(shí)電源設(shè)備的面板較大，設(shè)備體積大，重量大，不便于人員對(duì)設(shè)備的搬運(yùn)和維護(hù)。用于供配電設(shè)備完成功能自檢的等效器如圖2所示，等效器的體積較大，不能安裝在機(jī)柜內(nèi)，人員搬運(yùn)不方便。

圖1 舊版供配電設(shè)備前后面板及連接電纜實(shí)物圖

圖2 舊版等效器實(shí)物圖

測(cè)控設(shè)備設(shè)計(jì)要求保證其可靠性、可測(cè)試要求和友好的人機(jī)操作界面要求以及環(huán)境適應(yīng)性要求，同時(shí)設(shè)備要求操作簡(jiǎn)單易行，數(shù)據(jù)顯示清晰易讀。在滿(mǎn)足測(cè)試、報(bào)警要求的前提下，設(shè)備的電路設(shè)計(jì)應(yīng)簡(jiǎn)單、可靠，同時(shí)采取必要的元器件降額措施。

1.1 元器件選型

航天電子的發(fā)展對(duì)元器件小型化提出了要求，受到設(shè)備體積的限制，留給元器件的安裝空間相當(dāng)有限，而且在元器件小型化發(fā)展的同時(shí)，性能還不能降低，否則會(huì)影響產(chǎn)品功能［2］。

文獻(xiàn)［3］和［4］通過(guò)使用高度集成、模塊化、小型化的芯片減少額外器件的使用，對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化整合，充分合理利用板間空間，實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)硬件的小型化設(shè)計(jì)。為了盡量減小供配電控制組合的體積、重量，選擇高集成化、多通道、多功能、相對(duì)體積小、高可靠性的功能板卡或元器件。新研供配電控制系統(tǒng)輸出采用NI數(shù)字I／O 模塊加達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)模塊作為繼電器的控制裝置。離散量電輸入信號(hào)控制繼電器閉合，繼電器將數(shù)字I／O 模塊輸出的5V電源信號(hào)連接到相應(yīng)的I／O 通道。模擬量電流和電壓的采集使用NI的高精度數(shù)據(jù)采集卡、分流器、高精度電阻和隔離模塊實(shí)現(xiàn)。

為保證產(chǎn)品可靠性以及便于后期維護(hù)，板卡、元器件盡量選擇型號(hào)上成功發(fā)射使用過(guò)的產(chǎn)品。供配電控制組合I／O 卡選擇NI數(shù)字I／O 板卡，模擬量采集選擇NI數(shù)據(jù)采集卡，達(dá)林頓管選擇ULN2803A，大功率繼電器選擇宏發(fā)工業(yè)級(jí)繼電器，信號(hào)繼電器選擇松下繼電器，隔離模塊選擇研華ADAM 模塊，等效器內(nèi)部大功率電阻選用四川永星線繞電阻器。供配電控制組合內(nèi)元器件如圖3、圖4所示。

圖3 達(dá)林頓數(shù)字I／O 驅(qū)動(dòng)模塊ULN2803

圖4 隔離DC輸入／輸出模塊和分流器

AD采集卡最大支持單端32路或差分16路模擬信號(hào)輸入，電壓采集范圍±10V，分辨率達(dá)到18位，遠(yuǎn)滿(mǎn)足精度0.05V 的要求。I／O 卡支持96通道輸入輸出，每通道電流驅(qū)動(dòng)24mA，輸入-0.5～5.5V，輸出0～5V，I／O 邏輯電平5V。達(dá)林頓管ULN2803A 最大輸入電壓30V，連續(xù)輸出電流500mA，能可靠驅(qū)動(dòng)繼電器。大功率繼電器觸點(diǎn)耐壓值48～125V／100A，遠(yuǎn)滿(mǎn)足實(shí)際要求28VDC／32A。隔離模塊輸入包括分流器0～50 mV 輸入和分壓電阻0～10V輸入。供配電控制組合選用的器件或板卡均為商業(yè)貨架產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)且大批量投產(chǎn)的商業(yè)貨架產(chǎn)品在體積、研制周期、成本方面比體制內(nèi)產(chǎn)品占有顯著優(yōu)勢(shì)。

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在元器件小型化基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)備功能需求合理排布器件，提高可維護(hù)性［5］，設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)后能最大化利用機(jī)箱內(nèi)部空間，有效減小設(shè)備體積。新研供配電控制組合箱體設(shè)計(jì)成8U 高度可上19英寸機(jī)架的金屬箱體，箱體后面板安裝有與箭上產(chǎn)品連接的連接器、與4臺(tái)電源連接的連接器、數(shù)字I／O 板卡／數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)輸入接線端子、220V電源輸入連接器等，與舊供配電控制組合相比，優(yōu)化了連接器選型、控制與采集信號(hào)整合，減少了對(duì)外接口連接器數(shù)量。

供配電控制組合前面板下部的蓋板可上下翻轉(zhuǎn)打開(kāi)，方便繼電器板子更換維護(hù)，有效縮短了現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)更換時(shí)間。為滿(mǎn)足用戶(hù)使用需求，方便時(shí)刻觀察地面對(duì)箭上供電狀態(tài)和關(guān)鍵信號(hào)采集，組合前面板設(shè)置有配電器2 地面加電、電池2加電、T1～T6路加電、助推（Ⅰ～Ⅳ）地面加電、助推（Ⅰ～Ⅳ）電池加電、T11加電（Ⅰ～Ⅳ）、T12加電（Ⅰ～Ⅳ）、起飛信號(hào)共25個(gè)指示燈和4個(gè)電源輸出測(cè)量接口及組合電源開(kāi)關(guān)。

為便于轉(zhuǎn)運(yùn)和使用，箭上配電器等效器設(shè)計(jì)成小單機(jī)形狀，后面板根據(jù)真實(shí)配電器接口設(shè)計(jì)，前面板配置了數(shù)字壓力表、箭上供電狀態(tài)指示燈、箭上關(guān)鍵信號(hào)接收指示燈、箭上控制信號(hào)輸出按鈕，既滿(mǎn)足驗(yàn)證地面產(chǎn)品功能正確性要求，又減小了產(chǎn)品體積，5個(gè)等效器可同時(shí)放置于機(jī)柜工具箱內(nèi)，供配電系統(tǒng)設(shè)備連接框圖如圖5所示。

圖5 供配電系統(tǒng)設(shè)備連接框圖

對(duì)供配電控制組合機(jī)箱、電源機(jī)箱、配電器等效器機(jī)箱進(jìn)行小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制組合體積受后面板連接器數(shù)量影響而不能太小，最終控制組合機(jī)箱、電源機(jī)箱、等效器機(jī)箱的高度分別為8U、2U、2U，控制組合、電源整機(jī)重量小于20kg，等效器整機(jī)重量小于5kg?？刂平M合前面板設(shè)置合理的指示燈和輸出電壓測(cè)量接口，后面板均勻合理分布對(duì)外航插件。整套供配電設(shè)備全部集成于高度1.5m機(jī)柜內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了小型化結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1.3 軟件功能優(yōu)化

主控軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可靠性采集和自動(dòng)輸出控制，軟件界面采用虛擬顯示或控制的表頭、指示燈、按鈕等控件代替實(shí)體器件能有效減小設(shè)備體積。供配電控制測(cè)試設(shè)備只保留了箭上部分關(guān)鍵控制信號(hào)狀態(tài)指示燈和按鈕，確保主控軟件和硬件之間工作的協(xié)調(diào)性與正確性。

為了提高軟件的自動(dòng)化程度，防止誤操作，并減少人員的工作量和操作復(fù)雜性，可將部分控制操作在軟件中做成自動(dòng)邏輯去執(zhí)行，如將箭上遠(yuǎn)端電壓補(bǔ)償切換、轉(zhuǎn)電前地面電源斷電、轉(zhuǎn)電后地面電源斷電、緊急斷電地面電源斷電控制通過(guò)軟件自動(dòng)執(zhí)行。

軟件以虛擬表頭形式顯示所有電源輸出電壓、電流，地面母線電壓、對(duì)箭輸出電流，以及箭上各配電器反饋的電壓。以虛擬指示燈形式顯示電源狀態(tài)、箭上轉(zhuǎn)電好、引爆狀態(tài)。以數(shù)字表頭形式顯示起飛時(shí)間、加電時(shí)間。當(dāng)電源狀態(tài)異常（過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫）時(shí)，可以聲光形式予以報(bào)警。

軟件以虛擬按鈕開(kāi)關(guān)形式控制地面電源通斷、各通路通斷、轉(zhuǎn)電指令、安全自毀信號(hào)、模擬零秒、模擬姿態(tài)信號(hào)等。當(dāng)設(shè)備異常斷電時(shí)，會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)所有通路，避免第二次加電時(shí)出現(xiàn)誤動(dòng)作。軟件以流程屏形式記錄所有操作時(shí)間，電源的電壓、電流曲線可存盤(pán)進(jìn)行回溯、分析。人機(jī)界面設(shè)計(jì)效果如圖6所示。界面上包含4臺(tái)電源狀態(tài)、芯級(jí)供電狀態(tài)、助推供電狀態(tài)、測(cè)試流程、芯級(jí)供電指令控制按鈕、助推供電指令控制按鈕、電源連接控制按鈕、緊急控制按鈕。軟件界面通過(guò)分區(qū)域和不同標(biāo)題填充顏色讓操作人員能夠快速定位操作指令或狀態(tài)讀取判別。

圖6 主控軟件人機(jī)界面

供配電新、舊設(shè)備功能變化情況如表1所示。小型化設(shè)計(jì)后的供配電設(shè)備不僅功能更加豐富，體積更加輕便，解決了舊設(shè)備體積大、操作不便、功能不全等缺點(diǎn)。

表1 供配電新、舊設(shè)備功能變化情況

2 低成本設(shè)計(jì)原則

隨著商業(yè)航天快速發(fā)展和型號(hào)任務(wù)更加繁重，總體單位對(duì)地面測(cè)發(fā)控產(chǎn)品的研制費(fèi)用、周期、質(zhì)量控制的更加嚴(yán)格，地面測(cè)控產(chǎn)品正朝著小型化、低成本，短研制周期趨勢(shì)發(fā)展。文獻(xiàn)［6］對(duì)比了國(guó)內(nèi)外貨架產(chǎn)品不同理念，闡述了貨架產(chǎn)品進(jìn)軍航天裝備設(shè)計(jì)思路，為航天裝備貨架建設(shè)提供參考借鑒。文獻(xiàn)［7］介紹了在航天裝備上使用市售設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口，就可利用市場(chǎng)自身的創(chuàng)造活力，減少費(fèi)用并縮短研制周期。模塊化現(xiàn)成系統(tǒng)既能在短期內(nèi)提供現(xiàn)代化技術(shù)，又可在以后作為功能擴(kuò)展與技術(shù)引進(jìn)的基礎(chǔ)。在商業(yè)航天及運(yùn)載型號(hào)測(cè)發(fā)控產(chǎn)品研制中采用商業(yè)貨架產(chǎn)品，如普通車(chē)用繼電器和民用元器件等，商業(yè)貨架產(chǎn)品替代定制軍品可有效控制產(chǎn)品研制成本及周期。國(guó)外在商業(yè)貨架產(chǎn)品進(jìn)軍軍品研制領(lǐng)域比我們要早，西方國(guó)家率先提出采用民用產(chǎn)品、服務(wù)以及技術(shù)作為其防務(wù)采辦系統(tǒng)運(yùn)行的政策，產(chǎn)品研制過(guò)程中優(yōu)先考慮從民用產(chǎn)品領(lǐng)域獲得國(guó)內(nèi)外技術(shù)、系統(tǒng)以及設(shè)備。隨著商業(yè)貨架產(chǎn)品迅猛發(fā)展，產(chǎn)品性能更加穩(wěn)定可靠，商業(yè)貨架產(chǎn)品進(jìn)軍商業(yè)航天及運(yùn)載型號(hào)測(cè)控領(lǐng)域成為必然趨勢(shì)［8］。

2.1 選用商業(yè)貨架產(chǎn)品

貨架產(chǎn)品具有通用性強(qiáng)、成熟度高、質(zhì)量穩(wěn)定、產(chǎn)能滿(mǎn)足需求、市場(chǎng)需求強(qiáng)等特點(diǎn)［9］。根據(jù)研究總結(jié)國(guó)外的研究成果，商業(yè)航天及運(yùn)載型號(hào)測(cè)控領(lǐng)域選用商業(yè)貨架產(chǎn)品應(yīng)遵循性能原則、經(jīng)濟(jì)性原則、環(huán)境適應(yīng)性原則、可靠性原則、維修保障原則［8］。選用商業(yè)貨架產(chǎn)品的前提條件是滿(mǎn)足性能原則和經(jīng)濟(jì)性原則。商業(yè)貨架產(chǎn)品需滿(mǎn)足商業(yè)航天及運(yùn)載型號(hào)測(cè)控產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)及接口要求等。在壽命周期費(fèi)用上采用商業(yè)貨架產(chǎn)品必須是合算的。對(duì)于產(chǎn)品使用的特殊環(huán)境要求商業(yè)貨架產(chǎn)品必須能正?？煽抗ぷ?，同時(shí)必須與現(xiàn)有的維修保障體系相協(xié)調(diào)，滿(mǎn)足快速診斷、更換和持續(xù)保障需求。

我們經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐驗(yàn)證，證明商業(yè)貨架元器件可以選擇額定值大于軍品元器件額定值數(shù)倍的產(chǎn)品來(lái)提高元器件可靠性，比如軍品繼電器觸點(diǎn)額定負(fù)載28V50A，可選擇商業(yè)貨架繼電器觸點(diǎn)額定負(fù)載28V100A，通過(guò)增大觸點(diǎn)額定功率提高可靠性，元器件可靠性提高的同時(shí)成本仍得到了較好的控制。定制功能板卡研制周期和成本相對(duì)較高，在投產(chǎn)數(shù)量較少的情況下推薦選擇常用的成熟貨架產(chǎn)品，采用貨架板卡具有裝備研制進(jìn)度快、研制費(fèi)用低、技術(shù)成熟、批量大、兼容性好等優(yōu)勢(shì)。

地面測(cè)發(fā)控產(chǎn)品主要功能之一是實(shí)現(xiàn)對(duì)箭直流供電，體制內(nèi)研制的直流電源為了提高產(chǎn)品可靠性，元器件選用級(jí)別多為國(guó)軍標(biāo)級(jí)，電源面板上實(shí)體按鈕、燈、表頭較多，軟件功能比較簡(jiǎn)單、體積較大。隨著商業(yè)貨架電源技術(shù)更加成熟，功能更加豐富，采用商業(yè)貨架電源結(jié)合熱備冗余的設(shè)計(jì)方案可解決現(xiàn)有運(yùn)載地面直流電源設(shè)備體積較大，成本較高、研制周期長(zhǎng)問(wèn)題。供配電設(shè)備選擇的HY-PM 40-63直流電源輸出電壓DC 0～40V 可調(diào)，輸出最大電流63A，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于任務(wù)書(shū)要求，電源同時(shí)具有遠(yuǎn)端補(bǔ)償、過(guò)壓、過(guò)流等保護(hù)機(jī)制。商業(yè)直流電源可通過(guò)主副機(jī)熱備冗余設(shè)計(jì)提高可靠性，電源接收上位機(jī)軟件UDP控制指令時(shí)，可通過(guò)上位機(jī)軟件單條指令發(fā)送接收允許重復(fù)發(fā)送來(lái)提高電源通訊可靠性。

2.2 國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品替代

文獻(xiàn)［10］介紹了電子元器件國(guó)產(chǎn)化替代的現(xiàn)實(shí)意義，指出目前元器件替代存在的主要問(wèn)題。文獻(xiàn)［11-12］列舉了目前軍用電子元器件國(guó)產(chǎn)化替代應(yīng)用暴露出的問(wèn)題，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行思考分析，提出了相應(yīng)的措施和對(duì)策。隨著國(guó)內(nèi)電子元器件研制單位的技術(shù)攻關(guān)和國(guó)家的大力支持，國(guó)產(chǎn)電子元器件性能水平取得了較快發(fā)展，部分國(guó)產(chǎn)電子元器件的性能已接近或達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平［13］。

由于運(yùn)載火箭測(cè)控設(shè)備需要完成開(kāi)關(guān)量控制、邏輯控制、通信、信號(hào)采集等復(fù)雜功能，設(shè)計(jì)時(shí)大多采用PLC 模塊或者PXI功能板卡實(shí)現(xiàn)上述功能。

PLC作為一類(lèi)成熟可靠的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，且具有易上手、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)勢(shì)，因此PLC 在運(yùn)載火箭測(cè)控設(shè)備中起到了不可替代的作用。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)運(yùn)載火箭測(cè)控設(shè)備PLC的采購(gòu)，從20世紀(jì)的日系（三菱、歐姆龍），到21世紀(jì)初的歐系（西門(mén)子、施耐德），都逃不開(kāi)進(jìn)口產(chǎn)品的影子。從2020年開(kāi)始，測(cè)發(fā)控系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入統(tǒng)型設(shè)計(jì)的時(shí)代，在多個(gè)新運(yùn)載火箭型號(hào)測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，PLC 仍然繼承了傳統(tǒng)運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)控系統(tǒng)中產(chǎn)品型號(hào)的選型。2022年，新研某型號(hào)運(yùn)載火箭動(dòng)力測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的配套提上了日程，自2020年新冠疫情不斷惡化，在全球范圍內(nèi)掀起了一場(chǎng)愈演愈烈的芯片大短缺 “戰(zhàn)爭(zhēng)”。由于芯片產(chǎn)品研發(fā)難度高、周期長(zhǎng)，投入成本高，因此芯片的價(jià)格不斷上漲，間接地影響了國(guó)際PLC市場(chǎng)，一套模塊的價(jià)格從十幾萬(wàn)，漲到幾十萬(wàn)，一些特殊的型號(hào)甚至漲價(jià)10幾倍。截止目前，國(guó)際PLC市場(chǎng)的價(jià)格漲幅趨勢(shì)只增不減。西門(mén)子PLC 大幅提價(jià)、甚至對(duì)華禁售的消息傳來(lái)，極大的影響了運(yùn)載火箭測(cè)控設(shè)備的開(kāi)發(fā)成本。當(dāng)進(jìn)口電子元器件遭遇停產(chǎn)斷檔、禁運(yùn)等情況，而武器裝備又急需使用時(shí)，國(guó)產(chǎn)化替代顯得尤為重要和緊迫，國(guó)產(chǎn)化替代驗(yàn)證成為保證武器裝備質(zhì)量與可靠性的重要一環(huán)［14-15］。

為打破PLC設(shè)備進(jìn)口壁壘，經(jīng)多方比較并經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將新研某型號(hào)運(yùn)載火箭動(dòng)力測(cè)發(fā)控系統(tǒng)中的西門(mén)子PLC替換為浙江中控自研的國(guó)產(chǎn)PLC可解決進(jìn)口元器件成本高昂、技術(shù)封鎖等問(wèn)題。為驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)PLC 性能，針對(duì)PLC的工作模塊以及冗余機(jī)制開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

4～20mA 模擬量采集模塊采集電流值接近滿(mǎn)量程過(guò)程中，采集數(shù)據(jù)與電流表內(nèi)數(shù)據(jù)偏差逐步增大，最大偏差0.1mA，此偏差不影響在動(dòng)力測(cè)發(fā)控系統(tǒng)中的使用，模塊進(jìn)行矯正動(dòng)作后，則沒(méi)有隨著電流值增大后的偏差。因此考慮此偏差可能由使用的儀表帶來(lái)，不影響動(dòng)力測(cè)發(fā)控系統(tǒng)中的使用。電壓采集偏差小于±0.001V，晶體管輸出模塊反應(yīng)時(shí)間穩(wěn)定，DI到DO 響應(yīng)時(shí)間為15ms左右，即使加上繼電器響應(yīng)時(shí)間3～5ms之間，整體反應(yīng)時(shí)間可控制在20ms以?xún)?nèi)。同時(shí)，使用晶體管輸出模塊雖可解決輸出通道時(shí)延問(wèn)題，在組態(tài)軟件中將引起時(shí)延要求較高的輸入通道，如觸發(fā)連接器脫落動(dòng)作的點(diǎn)火、起飛等信號(hào)硬件接線中設(shè)計(jì)到同一個(gè)模塊當(dāng)中，并在組態(tài)軟件中將該模塊硬件變量設(shè)置為變化更新，并將連接器脫落指令相關(guān)語(yǔ)句在事件任務(wù)中執(zhí)行，則有較好的聯(lián)鎖響應(yīng)時(shí)間表現(xiàn)。

浙江中控國(guó)產(chǎn)PLC G5Pro控制系統(tǒng)支持CPU 機(jī)架冗余、電源冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余、通訊模塊冗余、IO 模塊冗余。適用于大規(guī)模的應(yīng)用場(chǎng)景，具備全面的冗余措施、快速的冗余切換時(shí)間、完善的診斷機(jī)制，極大地提高了系統(tǒng)的冗余容錯(cuò)能力，保證系統(tǒng)整體的可靠性。在冗余機(jī)制驗(yàn)證方面，借用浙江中控PLC G5Pro系列模塊進(jìn)行冗余系統(tǒng)搭建，搭建冗余系統(tǒng)如圖7所示，采用雙環(huán)網(wǎng)架構(gòu)，對(duì)運(yùn)載火箭測(cè)控設(shè)備常用的CPU 冗余、輸出模塊冗余以及模擬量輸入模塊冗余進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖7 國(guó)產(chǎn)化PLC環(huán)網(wǎng)冗余系統(tǒng)示意圖

圖8 文獻(xiàn)［19］和文獻(xiàn)［20］冗余設(shè)計(jì)方案

類(lèi)似圖7冗余系統(tǒng)中，在遠(yuǎn)程I／O 從站上使用輸出模塊，模擬網(wǎng)線斷開(kāi)等故障，均可正常輸出。輸出模塊輸出通道沒(méi)有因?yàn)槿哂嘞到y(tǒng)中單點(diǎn)故障導(dǎo)致輸出中斷。對(duì)單個(gè)CPU 模塊進(jìn)行斷電等操作也未影響模塊正常輸入輸出功能。

后又在從站中配置模擬量輸入模塊，并驗(yàn)證模擬量輸入模塊的相鄰冗余模式，即從站中相鄰位置上使用同樣規(guī)格兩塊模擬量輸入模塊。通過(guò)浙江中控成品線纜連接到同一塊端子板上。當(dāng)有4～20mA 電流流過(guò)時(shí)，兩個(gè)模塊中有一個(gè)輸入模塊為主用模式，當(dāng)拔掉該模塊上線纜模擬輸入故障時(shí)，則備用模塊正常接入工作，反應(yīng)切換時(shí)間在5ms之內(nèi)。該功能在動(dòng)力測(cè)發(fā)控系統(tǒng)內(nèi)推薦使用，解決了之前測(cè)發(fā)控系統(tǒng)對(duì)電流采樣采用西門(mén)子模塊測(cè)試時(shí)的單點(diǎn)環(huán)節(jié)。相較于西門(mén)子PLC，浙江中控國(guó)產(chǎn)PLC 除了CPU、DI、DO、電源模塊以及通信模塊具備冗余功能以外，AI模塊新增了冗余功能。如果其中一個(gè)AI模塊失效，備份AI模塊接入采集工作，提高了模擬量采集的可靠性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明國(guó)產(chǎn)PLC 在性能、可靠性指標(biāo)上不低于同價(jià)位日、歐進(jìn)口PLC，部分技術(shù)指標(biāo)甚至優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品。秉承“大膽論證，謹(jǐn)慎驗(yàn)證”的原則，我們將國(guó)產(chǎn)PLC 首次應(yīng)用于新研運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的自檢設(shè)備（等效器），并在2022年順利完成Y1首飛，最終取得圓滿(mǎn)成功。為國(guó)產(chǎn)PLC后續(xù)在型號(hào)對(duì)箭測(cè)試產(chǎn)品中的全面應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在成本方面，以動(dòng)力測(cè)發(fā)控系統(tǒng)某設(shè)備為例，所選用的PLC模塊較少，經(jīng)核算該設(shè)備的主要模塊分別選用西門(mén)子PLC 和浙江中控國(guó)產(chǎn)PLC，選用西門(mén)子PLC 的成本為212 704元，而選用浙江中控PLC的成本為146 000元，成本降低了66 704元，較前一代測(cè)控設(shè)備成本降低了31.4%。

PLC國(guó)產(chǎn)化的替代，是我所運(yùn)載火箭測(cè)控設(shè)備走出進(jìn)口產(chǎn)品“包圍圈”的重要一步。在此次運(yùn)載火箭測(cè)控設(shè)備PLC國(guó)產(chǎn)化替代探索的過(guò)程中，一方面，在滿(mǎn)足性能與可靠性的前提下顯著地降低了設(shè)備采購(gòu)成本，同時(shí)也大幅縮減了設(shè)備訂購(gòu)周期；另一方面，打破了西方國(guó)家對(duì)我國(guó)航天領(lǐng)域在技術(shù)層面的 “卡脖子”的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)掌握技術(shù)自主的目標(biāo)。最終形成了經(jīng)濟(jì)成本控制、時(shí)間成本降低、可靠性提高和基本功能保障 “四贏”的良好局面，為運(yùn)載火箭測(cè)控設(shè)備和我所其他領(lǐng)域產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化替代起到了良好的示范作用。

2.3 合理冗余設(shè)計(jì)

在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域，對(duì)主控制模塊和重要的輸入輸出模塊進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，一般配置為控制器冗余、總線冗余、通信冗余，可以降低故障風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性［16-18］。常用冗余設(shè)計(jì)是采用一個(gè)以上CPU、冗余IO 模塊進(jìn)行控制。文獻(xiàn)［19］介紹了一種采用小型PLC 實(shí)現(xiàn)冗余配置的方案，2臺(tái)完全相同的小型PLC 控制器通過(guò)信號(hào)檢測(cè)裝置來(lái)判斷PLC控制器功能是否正常，發(fā)出主從切換信號(hào)，實(shí)現(xiàn)熱備冗余。文獻(xiàn)［20］設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)可配置的冗余I／O 模塊系統(tǒng)，包括控制器、I／O 底座、I／O 模塊和通信總線，I／O 模塊會(huì)周期性上送主備I／O 模塊標(biāo)志，使控制器能實(shí)時(shí)監(jiān)視I／O 模塊狀態(tài)，并在I／O 模塊出現(xiàn)雙主時(shí)提供解決方案，使I／O 模塊重新決策進(jìn)入正常運(yùn)行方式。文獻(xiàn)［21］基于可靠性基礎(chǔ)理論分析了單系統(tǒng)、2單元并聯(lián)冗余系統(tǒng)、3取2表決冗余及2乘2取2冗余PLC系統(tǒng)的可靠性、平均故障時(shí)間和可用性。

某型號(hào)測(cè)發(fā)控系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備如發(fā)控設(shè)備、動(dòng)力測(cè)控設(shè)備、配氣臺(tái)測(cè)控設(shè)備均采用西門(mén)子S7冗余PLC系統(tǒng)，其中S7冗余CPU 模塊為西門(mén)子去年推出的冗余系統(tǒng)專(zhuān)用CPU模塊，冗余PLC主站按照 “熱備用”模式中的活動(dòng)狀態(tài)冗余性原理來(lái)運(yùn)行。對(duì)于一些重要發(fā)控指令，配置3個(gè)I／O從站對(duì)應(yīng)通道同時(shí)輸出，接通三選二繼電器或直接對(duì)箭上進(jìn)行狀態(tài)控制，一般控制指令采用雙冗余控制方案，對(duì)于所有反饋的開(kāi)關(guān)量通道均采用雙冗余通道配置。在該種配置方法下，當(dāng)任意一個(gè)I／O 從站模塊發(fā)生故障時(shí)，其他兩個(gè)模塊正常輸出，都可以保證系統(tǒng)指令執(zhí)行的安全可靠。系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)框圖

目前大部分PLC廠家只在大型PLC系統(tǒng)中推出冗余型PLC，而在小型PLC系統(tǒng)中沒(méi)有推出冗余型PLC，且大型的冗余型PLC系統(tǒng)價(jià)格昂貴，CPU 熱備冗余或者多從站輸出冗余大大提高了設(shè)備成本。為降低研制成本，地面測(cè)控設(shè)備可適當(dāng)縮減冗余設(shè)計(jì)。通過(guò)以往大量的工程測(cè)試經(jīng)驗(yàn)表明，CPU 在實(shí)際使用中出現(xiàn)故障的概率極低，在項(xiàng)目成本有限及設(shè)備性能要求不高的情況下可以不考慮CPU 的冗余設(shè)計(jì)，I／O 從站也可以從多個(gè)從站改為單個(gè)從站，對(duì)于一些重要的控制指令采用雙冗余設(shè)計(jì)。為保證冗余控制可靠性，雙冗余通路設(shè)置在從站不同的模塊，這樣可避免單個(gè)I／O 模塊故障時(shí)雙冗余控制通路同時(shí)失效。

某商業(yè)航天運(yùn)載火箭地面發(fā)控PLC 設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)火箭的控制指令上傳、狀態(tài)采集、配電、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、緊急斷電等功能，使用的模塊包括CPU 模塊、開(kāi)關(guān)量輸入模塊、開(kāi)關(guān)量輸出模塊、模擬量采集模塊等。

發(fā)控PLC設(shè)備控制系統(tǒng)采用單CPU、單從站模式，對(duì)于箭上重要指令輸出通過(guò)從站中3個(gè)不同模塊（三選二冗余）或者2個(gè)不同模塊（雙冗余）控制輸出，防止出現(xiàn)單路失效導(dǎo)致的指令誤發(fā)或指令漏發(fā)模式，其原理如圖10所示。

圖10 三選二控制指令輸出

為進(jìn)一步提高產(chǎn)品通用性，地面發(fā)控PLC 設(shè)備在原來(lái)基礎(chǔ)上進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，將所有PLC 模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)成一臺(tái)可多型號(hào)通用的設(shè)備，將內(nèi)部預(yù)留的IO 模塊輸出全部引出至輸出接口實(shí)現(xiàn)最大化設(shè)計(jì)，同時(shí)后續(xù)還可以通過(guò)增加模塊實(shí)現(xiàn)更多對(duì)箭信號(hào)的控制與采集，極大提高了測(cè)控設(shè)備的通用性，從而實(shí)現(xiàn)低成本設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)藍(lán)箭朱雀運(yùn)載火箭系統(tǒng)集成綜合試驗(yàn)考核和首飛驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，未出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，得到用戶(hù)的充分認(rèn)可。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了運(yùn)載火箭測(cè)控設(shè)備小型化低成本設(shè)計(jì)思路。地面測(cè)控設(shè)備可通過(guò)選擇高集成化、多通道、相對(duì)體積小的功能板卡或元器件，合理排布器件，最大化利用機(jī)箱內(nèi)部空間，采用虛擬表頭、指示燈、按鈕豐富軟件功能和顯示界面，提高軟件自動(dòng)化程度達(dá)到測(cè)控設(shè)備小型化設(shè)計(jì)。商業(yè)貨架產(chǎn)品通過(guò)降額設(shè)計(jì)、國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品替代、合理冗余設(shè)計(jì)能達(dá)到低成本效益的同時(shí)不影響其可靠性。